Nguyên lý của bộ điều tốc
Thực ra, khi thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp cũng có nghĩa là thay đổi tốc độ máy phát.
Tuy nhiên trong máy phát điện, khi đã hòa điện vào lưới thì tốc độ sẽ bị khống chế bởi lưới.
Thay đổi tốc độ, ở đây hiểu theo 2 cách khác nhau, và mỗi cách sẽ lý giải vì sao thay đổi tốc độ, mà vẫn tăng được công suất, trong khi vẫn bảo đảm được tốc độ tỷ lệ với tần số.
1/. Cách tiếp cận thứ nhất:
Giả sử khi bạn đã hòa điện vào lưới và máy đang chạy ổn định với công suất là 50%. Tốc độ máy khi đó là n = 60f/P. Lúc đó, góc lệch giữa E và U là a 1 <90 º.
Nếu bây giờ bạn tăng công suất của động cơ sơ cấp bằng cách tăng năng lượng vào nó (thí dụ như tăng lượng hơi của tua bin hơi, lượng dầu của tua bin khí, lưu lượng nước của tua bin nước...). Khi đó, công suất của tua bine sẽ cao hơn công suất tải của máy phát. Lượng dôi ra đó sẽ làm tua bine tăng tốc.
Khi tua bine tăng tốc, đầu tiên rotor sẽ quay nhanh hơn một tý. Góc lệch α 1 sẽ tăng lên một chút thành α 2.
Khi góc lệch tăng lên, dòng tải sẽ tăng lên và công suất phát cũng tăng theo. Khi đó hiệu số giữa công suất phát và công suất cơ sẽ giảm đi, tua bin tăng tốc chậm lại.
Khi góc lệch đến một trị số nào đó, dòng tăng đủ lớn, công suất phát của máy phát đủ lớn, máy phát sẽ bị hãm lại, và tốc độ máy phát lại trở lại phụ thuộc vào tần số lưới theo công thức trên.
Khi tăng được công suất của máy, nếu máy có công suất khá lớn so với lưới thì tần số lưới được cải thiện một chút. Khi đó tốc độ máy so với trước cũng được tăng cao hơn một chút.
Như vậy có thể nói:
Khi tăng tốc độ của động cơ sơ cấp, tốc độ máy phát (cũng chính là tốc độ của động cơ sơ cấp) ngay lập tức sẽ tăng, và làm tăng công suất phát. Nhưng khi công suất phát tăng lên, tốc độ của máy lại trở về trị số xác lập, tỷ lệ với tần số của lưới.
Tuy nhiên trong máy phát điện, khi đã hòa điện vào lưới thì tốc độ sẽ bị khống chế bởi lưới.
Thay đổi tốc độ, ở đây hiểu theo 2 cách khác nhau, và mỗi cách sẽ lý giải vì sao thay đổi tốc độ, mà vẫn tăng được công suất, trong khi vẫn bảo đảm được tốc độ tỷ lệ với tần số.
1/. Cách tiếp cận thứ nhất:
Giả sử khi bạn đã hòa điện vào lưới và máy đang chạy ổn định với công suất là 50%. Tốc độ máy khi đó là n = 60f/P. Lúc đó, góc lệch giữa E và U là a 1 <90 º.
Nếu bây giờ bạn tăng công suất của động cơ sơ cấp bằng cách tăng năng lượng vào nó (thí dụ như tăng lượng hơi của tua bin hơi, lượng dầu của tua bin khí, lưu lượng nước của tua bin nước...). Khi đó, công suất của tua bine sẽ cao hơn công suất tải của máy phát. Lượng dôi ra đó sẽ làm tua bine tăng tốc.
Khi tua bine tăng tốc, đầu tiên rotor sẽ quay nhanh hơn một tý. Góc lệch α 1 sẽ tăng lên một chút thành α 2.
Khi góc lệch tăng lên, dòng tải sẽ tăng lên và công suất phát cũng tăng theo. Khi đó hiệu số giữa công suất phát và công suất cơ sẽ giảm đi, tua bin tăng tốc chậm lại.
Khi góc lệch đến một trị số nào đó, dòng tăng đủ lớn, công suất phát của máy phát đủ lớn, máy phát sẽ bị hãm lại, và tốc độ máy phát lại trở lại phụ thuộc vào tần số lưới theo công thức trên.
Khi tăng được công suất của máy, nếu máy có công suất khá lớn so với lưới thì tần số lưới được cải thiện một chút. Khi đó tốc độ máy so với trước cũng được tăng cao hơn một chút.
Như vậy có thể nói:
Khi tăng tốc độ của động cơ sơ cấp, tốc độ máy phát (cũng chính là tốc độ của động cơ sơ cấp) ngay lập tức sẽ tăng, và làm tăng công suất phát. Nhưng khi công suất phát tăng lên, tốc độ của máy lại trở về trị số xác lập, tỷ lệ với tần số của lưới.
Vec tơ U màu xanh dương là điện áp đầu cực máy phát.
Vec tơ E màu đỏ là sức điện động, do rô-to tạo ra.
Vec tơ Ir màu nâulà sụt áp do dòng máy phát trên điện trở của cuộn dây Sta-to.
Vec tơ Ix màu xanh lá cây, là sụt áp do dòng máy phát trên điện kháng của cuộn dây Sta-to.
Khi góc a giữa E và U tăng, dòng điện sẽ tăng theo, góc φ giữa U và I giảm xuống. Điều đó làm tăng P và giảm Q.
Vec tơ E màu đỏ là sức điện động, do rô-to tạo ra.
Vec tơ Ir màu nâulà sụt áp do dòng máy phát trên điện trở của cuộn dây Sta-to.
Vec tơ Ix màu xanh lá cây, là sụt áp do dòng máy phát trên điện kháng của cuộn dây Sta-to.
Khi góc a giữa E và U tăng, dòng điện sẽ tăng theo, góc φ giữa U và I giảm xuống. Điều đó làm tăng P và giảm Q.
Với các bộ điểu tốc cổ điển, nó cũng có đầy đủ mọi yếu tố của một hệ điều khiển có hồi tiếp. Bộ điều tốc sẽ đo lường tốc độ của tua bin (thí dụ bằng một bộ quả tạ ly tâm) so sánh với một tốc độ chuẩn (thí dụ lực căng của 1 bộ lò xo). Sai số sẽ được khuếch đại lên bằng một hệ thống cơ học, thí dụ như thủy lực... Tín hiệu sau khuếch đại sẽ điều khiển được công suất ngõ ra của động cơ sơ cấp (Thí dụ, tua-bin hơi)
Một hệ điều khiển như vậy gọi là hệ điều khiển hữu sai. Tín hiệu ra bằng sai số đầu vào nhân với hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại. Với hệ số khuếch đại càng lớn thì sai số đầu vào càng nhỏ.
Các bộ điều tốc cơ học có sai số đầu vào cỡ 16% ứng với công suất ra biến động từ 0 đến 100%.
Các bộ điều tốc đời mới, dùng hệ thống điện tử, với các khâu vi tích phân, có thể chuyển thành hệ điều khiển vô sai.
Tuy nhiên, hệ vô sai này chỉ được khuyến cáo sử dụng khi máy chạy độc lập. Khi máy hòa vào lưới, thì người ta cũng chuyển qua dạng đặc tuyến giống như hữu sai. Nghĩa là thông số của đầu ra cũng phụ thuộc thông số đầu vào.
Dưới đây, chúng ta sẽ khảo sát đặc tính của một bộ điều tốc có độ dốc 4%. Nghĩa là nếu sai số đầu vào là 4% thì tải đầu ra 100%.
Như vậy, khi mới hòa đồng bộ vào lưới, tần số chuẩn của máy bằng với tần số lưới. Công suất của máy phát lúc đó =0.
Sau khi hòa điện vào lưới, muốn cho máy phát phát công suất ra lưới, bạn phải tăng tần số cuẩn lên cao hơn tần số lưới. Khi đó đường đặc tính của bộ điều tốc sẽ tịnh tiến đi lên cao hơn đường trước.
Khi tần số chuẩn của máy tăng cao hơn tần số lưới, thí dụ 1%, thông số ra được khuếch đại 25 lần, nghĩa là công suất ra tăng lên 25%. Muốn cho máy phát phát hết công suất, tần số chuẩn phải tăng cao hơn tần số lưới 4%.
Một số bộ điều tốc chỉ quan tâm đến tốc độ động cơ sơ cấp. Do đó cái tần số chuẩn thực ra là tốc độ chuẩn của bộ điều tốc.
Một số bộ điều tốc chỉ quan tâm đến tốc độ khi khởi động. Khi hòa điện vào lưới thì quan tâm đến tần số.
Do đó, khi QT nói tần số chuẩn, pác tùy nghi theo bộ điều tốc của pác là dạng nào, để xem nó là tần số chuẩn thực sự, hay tốc độ chuẩn.
Cái độ dốc của bộ điều tốc đúng là cái speed droop. Khi còn là bộ điều tốc cơ học, nó luôn hiện hữu, do hệ số khuếch đại của hệ cơ học không thể tiến đến mức đưa nó về 0. Chỉ khi bộ điều tốc điện tử ra đời, có khả năng đưa về 0%, người ta mới phân biệt ra độ droop ≠ 0 khi hòa lưới và Độ droop 0% khi chạy độc lập (ISOLATE OPERATION).
Đối với một bộ điều tốc của Tua bin khí ABB, người ta dùng các thông số fS (setting frequency, tần số đặt), fG (generator frequency, tần số máy) và fN (network frequency, tần số lưới).
Khi chưa hòa điện vào lưới, bộ điều tốc sẽ so sánh giữa fG và fN để điều chỉnh van dầu sao cho fG hơi cao hơn fN một tý.
Khi đã hòa điện vào lưới, người ta sẽ dùng fS để so sánh với fG. Đồng thời cũng nhìn công suất của máy phát Pel (electric power) để điều chỉnh van dầu, theo hàm sau:
fS - fG = kdroop * Pel.
Kdroop được khuyến cáo cài đặt trong khoảng từ 4% đến 8%.
Đối với bộ điều tốc của tua bin khí GE, người ta lại dùng khái niệm TNR (chắc là turn number - referent, tốc độ chuẩn), TNH (H là gì, không đoán ra, tốc độ của máy). Công suất máy phát được quy ra từ lưu lượng dầu chuẩn FSR (fuel stroke referent).
Bộ này cũng làm việc tương tự như trên, nhưng do điểm 0 của công suất đã ứng với FRS ≠ 0 rồi, nên cong thức có phức tạp hơn
Một số bộ điều tốc chỉ quan tâm đến tốc độ khi khởi động. Khi hòa điện vào lưới thì quan tâm đến tần số.
Do đó, khi QT nói tần số chuẩn, pác tùy nghi theo bộ điều tốc của pác là dạng nào, để xem nó là tần số chuẩn thực sự, hay tốc độ chuẩn.
Cái độ dốc của bộ điều tốc đúng là cái speed droop. Khi còn là bộ điều tốc cơ học, nó luôn hiện hữu, do hệ số khuếch đại của hệ cơ học không thể tiến đến mức đưa nó về 0. Chỉ khi bộ điều tốc điện tử ra đời, có khả năng đưa về 0%, người ta mới phân biệt ra độ droop ≠ 0 khi hòa lưới và Độ droop 0% khi chạy độc lập (ISOLATE OPERATION).
Đối với một bộ điều tốc của Tua bin khí ABB, người ta dùng các thông số fS (setting frequency, tần số đặt), fG (generator frequency, tần số máy) và fN (network frequency, tần số lưới).
Khi chưa hòa điện vào lưới, bộ điều tốc sẽ so sánh giữa fG và fN để điều chỉnh van dầu sao cho fG hơi cao hơn fN một tý.
Khi đã hòa điện vào lưới, người ta sẽ dùng fS để so sánh với fG. Đồng thời cũng nhìn công suất của máy phát Pel (electric power) để điều chỉnh van dầu, theo hàm sau:
fS - fG = kdroop * Pel.
Kdroop được khuyến cáo cài đặt trong khoảng từ 4% đến 8%.
Đối với bộ điều tốc của tua bin khí GE, người ta lại dùng khái niệm TNR (chắc là turn number - referent, tốc độ chuẩn), TNH (H là gì, không đoán ra, tốc độ của máy). Công suất máy phát được quy ra từ lưu lượng dầu chuẩn FSR (fuel stroke referent).
Bộ này cũng làm việc tương tự như trên, nhưng do điểm 0 của công suất đã ứng với FRS ≠ 0 rồi, nên cong thức có phức tạp hơn
